基于COMSOL模擬開裂混凝土中的氯離子擴散行為

楊盛

摘? 要：建立開裂混凝土中的氯離子擴散模型，運用COMSOL軟件進行裂縫模擬，同時將模擬結(jié)果與開裂混凝土試驗值比較，證明了文章開裂混凝土氯離子擴散模型的正確性。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)裂縫寬度小于下閾值時，裂縫尺寸對氯離子擴散無影響，當(dāng)裂縫寬度大于下閾值后，隨著裂縫寬度的增加，裂縫處的氯離子侵蝕深度較大，同一深度的氯濃度相對更大。

關(guān)鍵詞：裂縫;混凝土;氯離子

中圖分類號：U441.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）06-0014-02

Abstract： A chloride ion diffusion model in cracked concrete was established， and crack simulation was performed using COMSOL software. At the same time， the simulation results were compared with experimental values of cracked concrete， which proved the correctness of chloride ion diffusion model of cracked concrete in this paper. The study found that when the fracture width is less than the lower threshold， the fracture size has no effect on the chloride ion diffusion. When the fracture width is greater than the lower threshold， the chloride ion erosion depth at the fracture is greateras the fracture width increases， and the chlorine concentration at the same depth is relatively larger.

Keywords： crack; concrete; chloride ion

引言

COMSOL Multiphysics是一款有限元仿真軟件，源于MATLAB中的FEMLAB，2003年更名為COMSOL Multiphysics（以下簡稱COMSOL）。COMSOL提供了一個有限元仿真模擬平臺，對于多物理場耦合問題，可進行數(shù)值分析，同時還提供了開放式平臺，允許使用者自定義模型控制方程和相關(guān)參數(shù)。此外，軟件可以自行進行網(wǎng)格劃分與求解，省去了大量的編寫相關(guān)求解程序的時間，這點優(yōu)于同類軟件。

本文采用COMSOL軟件中的稀物質(zhì)傳遞模塊建立了裂縫模型，研究了裂縫混凝土內(nèi)氯離子擴散規(guī)律的研究，證明了COMSOL有限元軟件在氯離子侵蝕研究方面的適用性。

1 裂縫處氯離子傳輸模型

文獻(xiàn)[1]提出裂縫的閾值范圍，該文獻(xiàn)給出了裂縫中氯離子擴散系數(shù)：

根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]可知D0=2.03×10-9m2/s，Dm=1.34×10-11m2/s;w為水灰比。本文所使用的COMSOL軟件考慮了混凝土的對流效應(yīng)，結(jié)合反應(yīng)等過程。計算時，在給定的時間步內(nèi)，某一位置的總氯濃度是自由氯化物和結(jié)合氯化物的總和。

2 裂縫中氯離子的擴散模擬

為研究裂縫中氯離子的擴散規(guī)律，本文采用文獻(xiàn)[5]中3種裂縫進行模擬，它們的尺寸及擬合的擴散系數(shù)見表1。COMSOL數(shù)值模型計算區(qū)域取100mm×100mm，采用自由三角形網(wǎng)格，裂縫網(wǎng)格為0.01mm，其余網(wǎng)格為1mm，頂部氯濃度為0.48%，其余邊界為無通量，混凝土內(nèi)部氯離子初始濃度C0=0，設(shè)置時間為30d，步長1d，計算結(jié)果如圖1：

從圖1可以看出，當(dāng)裂縫寬度小于下閾值時，氯離子擴散與完好混凝土中無異，當(dāng)裂縫寬度大于下閾值后，隨著裂縫寬度的增加，裂縫處的氯離子侵蝕深度較大，同一深度的氯濃度相對更大。由此可見，裂縫對氯離子擴散的影響是顯著的。

圖2顯示出氯離子在開裂混凝土的擴散速率是逐漸減小的，距離擴散表面較近處的濃度增長速率較大，反之較小。此外，COMSOL模擬曲線與實驗值的擬合較好，兩者之間存在的誤差一是由于實驗值的離散性，二是由于實驗測定時所采用的鉆芯取樣法所取的芯樣是一個范圍，根據(jù)擴散曲線的非線性可知，靠近外部的濃度比內(nèi)部更大，以芯樣平均值代替圓心處的濃度是稍微偏大的，所以COMSOL模擬曲線與真實氯離子擴散規(guī)律是相吻合的。因此， COMSOL模擬開裂混凝土中氯離子的擴散是準(zhǔn)確合理的。

3 結(jié)束語

（1）COMSOL軟件在氯離子擴散方面適用性較好。

（2）本文開裂混凝土中氯離子擴散模型與實際情況相符，可應(yīng)用于工程實踐。

（3）當(dāng)裂縫寬度小于下閾值時，裂縫尺寸對氯離子擴散無影響，當(dāng)裂縫寬度大于下閾值后，隨著裂縫寬度的增加，裂縫處的氯離子侵蝕深度較大，同一深度的氯濃度相對更大。

參考文獻(xiàn)：

[1]張紅光，王曙光，劉偉慶，等.開裂混凝土內(nèi)氯離子擴散機理及數(shù)值模擬研究[J].混凝土，2014（9）：19-25.

[2]Bentz D P， Garboczi E J， Lu Y， et al. Modeling of the influence of transverse cracking on chloride penetration into concrete[J]. Cement and Concrete Composites，2013，38：65-74.

[3]Li Yue， Chen Xiaohan， Jin Liu， et al. Experimental and numerical study on chloride transmission in cracked concrete[J]. Construction & Building Materials，2016，127：425-435.

[4]Scott Thompson Shill. Chloride Penetration into Concrete Structures Exposed to the Marine Atmosphere[D]. Florida Atlantic University August，2014.

[5] ahmaran M，. zgürYaman.. Yaman. Influence of transverse crack width on reinforcement corrosion initiat[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2008，35（3）：236-245.